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原始化学元素

时间:2022-01-31 百科知识 版权反馈
【摘要】:它的奠基者之一,俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫惊讶地发现,根据观察,地球上存在的不同原子,貌似几乎以相同的比例存在于宇宙各处。他首先提出所有化学元素可能是由恒星中心发生的核反应产生,并由各个恒星将这些元素扩散到各处。打下“原始核聚变”基础的文章发表于1948年4月1日。原始核聚变有另一个影响同样重要:如果它的确如大爆炸理论所述,这就意味着最多存在四“代”基本粒子,它们皆以相对简单的标准被确定。
原始化学元素_海滩上的爱因斯坦

1930年代,核物理——描述原子核结构和核反应——是一门年轻的正在发展中的科学。它的奠基者之一,俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫惊讶地发现,根据观察,地球上存在的不同原子,貌似几乎以相同的比例存在于宇宙各处。他首先提出所有化学元素可能是由恒星中心发生的核反应产生,并由各个恒星将这些元素扩散到各处。

但伽莫夫在1940年代发现这并不适用于所有的元素,于是改变了想法:重拾勒梅特的理论,他与他的合作者拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼发现这些元素(或至少其中的某些元素)可能在更早的时候,即在原始宇宙阶段就已经产生。的确,统治这一时期的极端密度和温度是引起核反应的理想框架!阿尔菲将伊伦(ylem)称作浓缩物质的“原始浓汤”,那时这种浓缩物质填满了整个宇宙。他只是重拾了亚里士多德赋予所有物质来源的“基础元素”的名称。总之,这一想法重燃了科学界对于宇宙学的热情。打下“原始核聚变”(宇宙初期的原子聚变)基础的文章发表于1948年4月1日。带着诙谐的念头,伽莫夫将之命名为“阿尔法、贝塔、伽马”(Alpha、Bêta、Gamma),来自三位署名者的姓氏首字母:拉尔夫·阿尔菲(Ralph Alpher)、汉斯·贝特(Hans Bethe)和乔治·伽莫夫(George Gamow)。事实上,贝特并没有参与文章的撰写,但伽莫夫加上了他的名字才好开这个4月1日愚人节的玩笑!

这一由伽莫夫及其合作者提出的“热宇宙模型”最初引起的反响很小:因为它错误地估计了宇宙的年龄,“稳恒态模型”更受赞扬。但随后新的观察改变了这一情况:天文学家们发现某些轻原子(氘、氦、锂)似乎的确是遍布全宇宙。而这些原子不可能在恒星中产生,只能在大爆炸模型设想的极端高密度和热度的情况下才能产生!而根据模型计算得出的预估数值与观测结果十分相符。另外研究者们也了解到其他原子核通过“恒星核聚变”进程产生于恒星中。但是轻原子已经足够说明大爆炸理论的正确性。

原始核聚变有另一个影响同样重要:如果它的确如大爆炸理论所述,这就意味着最多存在四“代”基本粒子,它们皆以相对简单的标准被确定。这是很强大的预言,因为当时的粒子物理学家们设想,理论上可能存在多达一百“代”粒子!简单来说,这些不同的代在某种意义上来说是“对应物”:它们每一种都有相同数量的粒子,区别只在于这些粒子的质量。例如,电子(第一代)在第二代中有一个更重的对应物(称为μ子),在第三代中还有一个更重的对应物(称为τ子)……普通物质(我们身体的、行星的、恒星的……)仅由第一代粒子即电子组成,其他代的粒子都不稳定。

1989年,在位于日内瓦附近的欧洲核子研究组织(CERN)里,由大型正负电子对撞机(LEP)——一种大型粒子加速器——进行的实验,确认了这一对原始核聚变的预言。这些实验的确展示了似乎只存在三代粒子。这是大爆炸理论的又一力证!

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